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煤层群上层工作面回采对下层巷道稳定的影响分析

2024-08-13 64 上传者：管理员

摘要：以冯家塔煤矿近距离煤层上下同时开采为工程背景，利用数值模拟的方法，分析在上煤层工作面的采动作用下，下煤层工作面已掘巷道的矿压显现规律，由此确定其超前影响范围、巷道顶板下沉特征以及巷道支护参数。通过实测下煤层巷道离层和变形数据，巷道顶板离层、下沉和两帮移近位移变化量均控制在10 mm以内，巷道变形得到了有效地控制，验证了已有的支护参数设计比较合理，能保障矿井的安全高效生产。

关键词：
围岩控制
支护参数
数值模拟
近距离煤层
采动应力
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近距离煤层群开采在我国煤矿开采中占比较大[1-2]。由于煤层之间的层间距较小，上覆煤层的开采形成的动压将会影响下部煤层采掘活动或煤岩稳定控制[3]。

受动压影响下的煤岩巷道，控制其稳定的困难程度很大，李业旭利用数值模拟的方法研究了工作面回采对邻近巷道的动压影响规律，确定了相应的应力场、位移场和塑性破坏特征[4]；陈真对相邻两区段工作面采动应力的叠加影响规律进行了研究，在此基础上利用水力压裂的手段对动压巷道进行卸压处理，取得了较好的技术经济效益[5]；杨帆以同层位工作面采动为条件，研究了巷道围岩的变形和应力分布规律，设计了相应的支护参数[6]；武建山针对本工作面开采时，回采巷道变形、底鼓严重等问题，研究了不同加固方法条件下的煤岩变形特征，优选了相应的煤岩体加固措施[7]。

综上可以看出，对于下煤层工作面的回采巷道已经掘进完成，上煤层工作面回采对其稳定影响控制方面的工程案例还鲜有报道，因此有必要进行分析研究。

1、工程概况

冯家塔煤矿1-3采区2#煤和4#煤属于近距离煤层赋存条件，2#煤层布置有工作面3207,4#煤层布置有工作面3405,2#煤和4#煤煤层间距15.9～28.5 m，平均21.73 m。根据采区的采掘部署要求，上煤层的3207工作面正在准备采用后退式开采方法进行回采，其开采活动会影响已经掘好的下煤层3405工作面的运输巷和辅助运输巷。为了满足受上煤层3207工作面采动影响时，下煤层3405工作面的运输巷和辅助运输巷的稳定控制要求，需要对其支护参数的合理性进行验证。此外为了有利于下部4#煤层工作面回采巷道的稳定，上下层工作面之间采用错层位布置，上下层工作面布置如图1所示，煤层顶底板综合柱状如图2所示。

3405工作面设计面长为290 m，其中3405工作面距离上煤层3207工作面辅运巷的水平错位距离为71.25 m,3205运输巷与3205辅运巷之间留设11.25 m护巷煤柱。3405工作面运输巷和辅运巷都采用矩形断面设计，巷道设计掘进断面尺寸：5.45 m（宽）×3.5 m（高），净断面尺寸：5.25 m（宽）×3.25 m（高），毛断面面积19.08 m2，净断面面积17.06 m2。

图1 上下层位工作布置平剖面

图2 煤层综合地质柱状图

2、采动应力分析

为了确保上层煤3207工作面开采时下煤层3405工作面已掘巷道煤岩稳定控制，弄清上下工作面采掘应力的叠加规律是基础。因此，拟定以FLAC3D数值模拟软件为工具进行理论分析。

1）数值模型的建立。建立采场数值模拟分析模型如图3所示，图中模型的长度为340 m，模型的宽度为300 m，高度为69 m，模型的四周为应力固定边界，下部为位移固定边界。

图3 数值模型

研究上煤层3207工作面开采推进不同距离（20 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m、140 m、160 m、180 m、200 m）时下煤层3405已掘巷道顶板应力的分布规律。

2）模拟结果分析。通过模拟分析，得出上煤层工作面开采时的下煤层已掘巷道的垂直应力和位移的分布（只放了部分）规律，如图4、图5所示，现详细分析如下：

图4 垂直应力分布规律

图5 垂直位移分布规律

(1）随着上煤层工作面的推进下煤层已掘巷道的应力开始有所增加，且下煤层3405工作面运输巷的应力要高于辅助运输巷，究其原因是上覆工作面区段煤柱形成的应力集中向下传播的缘故，同时运输巷距离上煤层区段煤柱的水平错位距离较小。

(2）随着上煤层工作面的推进，下煤层巷道的应力呈现先增加后逐渐趋于稳定的趋势。当工作面推进距离小于120 m之前其应力一直处于逐渐增加的状态，当上煤层工作面推进距离大于120 m之后,下煤层巷道的应力水平处于一个稳定的状态。

(3）当上煤层工作面推进120 m时，垂直应力达到最大值约9 MPa，对应的应急集中系数为1.29，随着距离上煤层区段煤柱的水平错位距离的增加，下煤层工作面已掘巷道顶板的整体应力水平较低。在上煤层工作面开采卸压的作用下，有利于下煤层工作面采场压力的释放，为其后期开采创造了一定的有利条件。

(4）随着上煤层3207工作面的推进，下煤层3405工作面巷道顶板垂直位移逐渐增大，巷道垂直位移最大值出现在3207工作面前方约20 m处的正下方，工作面推进180 m时，垂直位移达到最大值约11 mm。

3、巷道支护参数

3405工作面运输巷、辅运巷顶板采用φ20 mm×2 000 mm螺纹钢锚杆，三岔口及巷道应力集中区域施工φ17.8 mm×8 000 mm钢绞线锚索加强支护，帮部支护选用φ18 mm×2 000 mm螺纹钢锚杆或φ22 mm×2 000 mm玻璃钢锚杆。掘进过程中，如遇地质变化带、顶板破碎带、层理裂隙发育时，应及时调整支护参数，加强巷道支护。

顶板采用φ14 mm×5 200 mm钢筋托梁+φ4-2700×1 100 mm金属网+φ20 mm×2 000 mm螺纹钢锚杆+φ17.8 mm×8 000 mm钢绞线锚索联合支护，顶锚间距×排距=1 000 mm×1 000 mm，每排支护6根锚杆，锚索按照“2-2”方式布置，间距2 000 mm，排距2 000 mm。煤柱侧采用φ14 mm×2 600 mm钢筋托梁+φ4-2 700×1 100 mm金属网片+φ18 mm×2 000 mm螺纹钢锚杆支护，采面侧采用φ4-2700×1 100 mm金属网片+φ18 mm×2 000 mm螺纹钢锚杆支护，帮锚间距×排距=1 000 mm×1 000 mm，两帮每排各支护3根锚杆，如图6所示。

表6 支护参数设计

4、巷道变形分析

为了验证支护参数设计的合理性，拟定对巷道顶板离层、顶板下沉和两帮移近进行定期观测。数据记录的时间为2022年12月2日至2023年3月31日，测量的频率为每周1次。

3405工作面运输巷和辅运巷的位移和顶板离层变化规律如图7、图8所示。从图7、图8中可以看出，随着时间的变化，3405工作面两巷的顶板离层、下沉和两帮移近位移量先是逐渐增加，后期趋于稳定；巷道的顶板下沉量略大于顶板离层量，巷道两帮移近量最小，运输巷的变形量大于辅运巷。总体来看，采用了设计的锚网索支护参数后，巷道顶板离层、下沉和两帮移近位移变化均控制在10 mm以内，变形得到了有效地控制，说明支护参数设计比较合理，能保障矿井的安全高效生产。

图7 3405工作面运输巷位移曲线

图8 3405工作面辅运巷位移曲线

5、结语

针对冯家塔煤矿近距离煤层上煤层回采工作面对其下煤层已掘巷道稳定性影响的现状，利用数值模拟软件对上煤层3207工作面回采期间采动影响的下煤层巷道受力变形特征进行分析，确定了超前影响范围和巷道顶板下沉特征；实测了下煤层3405工作面运输巷和辅运巷两巷的变形和离层规律，巷道顶板离层、下沉和两帮移近位移变化均控制在10 mm以内，变形得到了有效地控制。下煤层巷道支护参数设计合理性得到了验证，能保障矿井的安全高效生产。

参考文献:

[1]张国江.近距离煤层群下位煤层开采顶板来压规律与稳定性控制[J].中国矿山工程,2023,52(2):59-63.

[2]曹仁举.煤矿近距离煤层同采回采巷道超前支护设计[J].机械管理开发,2023,38(3):229-230,233.

[3]康天慧,韩进东,孙传保,等.深部动压巷道围岩变形破坏机理与控制技术研究[J].煤炭技术,2023,42(3):96-100.

[4]李业旭.基于FLAC3D的动压巷道应力场演化特征数值模拟分析[J].现代信息科技,2023,7(4):157-162.

[5]陈真,石蒙,杨征,等.大采高工作面二次动压巷道水力压裂切顶卸压技术研究[J].中国矿业,2021,30(4):134-139.

[6]杨帆,权春阳.动压影响下巷道围岩应力及变形规律数值模拟研究[J].同煤科技,2021(1):9-11.

[7]武建山,赵星智,明展鸿,等.动压巷道围岩加固技术研究[J].能源技术与管理,2020,45(5):82-84.

文章来源:刘国庆,李新虎,梁明,等.煤层群上层工作面回采对下层巷道稳定的影响分析[J].江西煤炭科技,2024,(03):13-15+18.